Som hos andre virus er arvematerialet hos bakteriofag entenDNA ellerRNA, og det kan være enkeltrådig (single stranded; ssRNA, ssDNA) eller dobbeltrådig (dsRNA, dsDNA). Arvematerialet er omgitt av en kappe (kapsid) av protein. De fleste bakteriofager som er undersøkt inneholder dobbeltrådig DNA (dsDNA).

Ulike bakteriofag kan ha svært forskjellig utseende. Bakteriofag MS₂er for eksempel meget enkel. Den har et mangesidet kapsid (hode) av 180 identiske proteinmolekyler som omgir et enkeltrådig, lineært RNA-molekyl, som koder for bare tre gener.

Bakteriofag T4 som angriperE. coli hører derimot til de mest kompliserte av alle virus. Arvematerialet er dsDNA og koder for 250 ulike proteiner. Den har et hode av protein, en kontraktil hale festet til en plate, samt halefibre. I tillegg har den utstikkere, som finner fram til spesifikke reseptorer på overflaten av vertscellene hvor fagen kan feste seg. Hodet inneholder også et enzym som kan lage hull i celleveggen til vertscellen.

Når for eksempel fag T4 har funnet fram til sin spesifikke reseptor på overflaten av en celle, fester den seg og lager en pore i celleveggen, før den sprøyter arvematerialet inn i cellen ved at halen trekker seg sammen som en injeksjonssprøyte. Hodet og halen blir sittende igjen utenpå bakterien. Inne i cellen overtar bakteriofagen kontrollen over hele synteseapparatet. Bakteriofagens DNA bli raskt kopiert til nye DNA-molekyler og til mRNA, som fester seg tilribosomene i bakteriene slik at ribosomene produserer de proteinene som er nødvendige for å lage nye fag. Deretter settes de nye bakteriofagene sammen. Det blir også produserlysozym som løser opp bakterieveggen innenfra slik at bakterien dør og de nye fagene kommer ut. Dette skjer uhyre raskt og i løpet av en time kan det bli produsert hundrevis av nye bakteriofag som er i stand til å infisere nye bakterier.

Når en bakterie blir infisert av bakteriofag, kan én av to ting skje. Enten formerer den seg og danner hundrevis av nye partikler slik at bakterien dør, eller så blir bakteriofagen satt inn i bakteriens eget kromosom. Blir den innlemmet i kromosomet, sitter den der og formerer deg i takt med bakterien. I denne tilstanden kalles bakteriofagen en profag. Fenomenet kalles lysogeni. Med tiden kan profagen bli aktivert og frigjort fra kromosomet og formere seg slik at bakterien dør. Behandling med UV-stråling eller annet stress kan forårsake dette.

Noen profag inneholder gener som gir vertsbakterien mye egenskaper. Dette kalles fagkonversjon. For eksempel kan en bakterie som i utgangspunktet er harmløs, bli omdannet til en som forårsaker sykdom. Det skjer hvis profagen har genet for et toksin som bakterien begynner å produsere.

Flere vanlige, alvorlige bakteriesykdommer skyldes fagkonversjon, for eksempeldifteri (Corynebacterium diphteria),kolera (Vibrio cholerae),skarlagensfeber (Streptococcus pyogenes) ogbotulisme (Clostridium botulinum). Disse bakteriene forårsaker sykdom bare når de er bærer av en profag med genet for det aktuelle toksinet.

Bakterier har flere mekanismer som beskytter dem mot bakteriofag. Spesielle enzymer, restriksjonsenzymer, ødelegger fremmed DNA som kommer inn i cellen. Enzymene gjenkjenner spesifikke baserekkefølger på dsDNA og kutter DNA-molekylet på nettopp det stedet. Bakteriens eget DNA er beskyttet mot egne restriksjonsenzymer ved at de aktuelle basene på kromosomet er kjemisk modifisert ved såkalt metylering og dermed ikke blir gjenkjent av restriksjonsenzymet.

En annen mekanisme er kjent somCRISPR. Denne mekanismen virker som et primitivtimmunsystem. Et bestemt område, CRISPR, på bakteriens kromosom inneholder små biter av bakteriofag-DNA som er satt inn i kromosomet ved tidligere angrep. Et gen (CAS) et annet sted på kromosomet koder for et protein, Cas9 (CRISPR assosiated), som både kan binde til seg RNA og dessuten virke som en saks og klippe opp DNA.

Ved et nytt angrep av bakteriofag, blir CRISPR-genene transkribert til RNA, som blir kuttet opp og bundet til Cas-proteinet. Deretter sørger Cas for at RNA-bitene kommer i kontakt med det fremmede DNA-molekylet. Hvis basene stemmer overens og det skjer baseparing, klipper Cas proteinet det fremmede DNA-molekylet i biter.

CRISPR-Cas9 systemet er i senere tid blitt svært godt kjent fordi det anvendes i forbindelse med spesifikk redigering av gener hos dyr og planter.

Fordi bakteriofag angriper arter av bakterier helt spesifikt, har bruk av bakteriofag som muligantimikrobiell medisin vært utprøvd. Dette kalles fagterapi og har vært forsøkt brukt i begrenset grad på dyr og mennesker i over 80 år. Først og fremst av russiske forskere. Metoden har vært foreslått som et alternativ tilantibiotika etter at resistens mot antibiotika ble et alvorlig problem. Problemet med fagterapi er imidlertid at også i det systemet blir bakteriene resistente mot angrep. Dessuten er det en risiko at de bakteriene som blir angrepet og drept av bakteriofag frigjørtoksiner i pasienten.

• virus
• virusgenetikk